! Le laser représente à lui seul 10 % du marché mondial des machines-outils et pèse pas moins de 4 milliard dʼeuros (chiffres de 2002). La croissance annuelle du marché à été estimée à 15-20% pour la période 2002-2006 [Cerla04]. Si les lasers rencontrent un tel
franc succès, cʼest quʼils sont utilisés pour différents types dʼapplications tels que la transformation des matériaux (domaine qui représente 20 à 25% du marché des lasers
[Laur96]), la découpe, le perçage, le marquage, le soudage... Les lasers ont la capacité de
réaliser tous ces types de traitements, car il existe toute une gamme de lasers pouvant fournir des puissances allant de quelques mW jusqu'à une centaine kW.
! Tous ces lasers ont des avantages communs face aux outils «conventionnels», comme le fait quʼils :
! ➢ N'exercent pas de fortes pressions mécaniques sur les pièces comme le ferait un
! ! forêt ou une scie,
! ➢ Ne fonctionnent pas sur le principe dʼun contact mécanique supprimant ainsi les
! ! pièces dʼusure,
! ➢ Peuvent cibler une zone de traitement
! ➢ Permettent dʼobtenir des précisions de lʼordre du µm [Dutt03].
!
I.5.3.1. Principe de fonctionnement
! Comme lʼindique lʼacronyme LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ils fonctionnent par le principe de lʼémission stimulée qui fut découverte par Albert Einstein en 1917. Lʼémission stimulée se différencie de lʼémission spontanée par le fait que cette dernière résulte de la désexcitation naturelle dʼun atome (passage dʼun niveau énergétique E2 à E1 avec E2 > E1) ce qui génère un photon de longueur dʼonde λ
qui ne possède pas de direction précise (phénomène que lʼon peut retrouver dans un tube fluorescent). Lʼémission stimulée provient du fait quʼun photon rencontre un atome déjà excité qui provoquera sa désexcitation et le forcera ainsi à émettre un photon en tout point similaire au premier (même quantité dʼénergie, même fréquence, se propageant dans la même direction) (figure I.31). Le fait que la lumière se propage dans la même direction est une des particularités du laser, on dit que la lumière est cohérente. Ceci permet donc dʼavoir un fort niveau de fluence (exprimé en J/cm2). La longueur dʼonde du faisceau ainsi obtenue est donnée par la relation suivante :
E2 - E1 = h*λ
Avec E2: lʼénergie du niveau supérieur, E1: lʼénergie du niveau inférieur, h: la constante de Planck (6,62.10-32 J.s) et λ: la longueur dʼonde.
FIGURE I.31 : Principe de lʼémission stimulée Atome; Niveau dʼénergie; électron
" Les compositions dʼun laser actif, du mécanisme de pompage et du résonateur optique sont données dans lʼannexe 4.
! Les différents types de lasers et notamment les lasers CO2, Nd-YAG et excimère employés pour réaliser différentes étapes de traitement des substrats céramiques sont détaillés dans lʼannexe 5 .
!
I.5.3.2. Interaction laser-céramiques
! Le choix du laser ne va pas dépendre seulement des paramètres intrinsèques du laser. Il reste un critère à prendre en considération et qui nʼest pas des moindres, à savoir le type d'interaction laser-céramique rencontré. Ces interactions vont dépendre à la fois du coefficient dʼabsorption du matériau à la longueur dʼonde du faisceau, de sa rugosité... mais aussi de la durée de lʼimpulsion et de sa densité de puissance (figure I.32).
Figure I.32 :Effets de la puissance et du temps d'interaction dʼun faisceau laser [Laur96]
!
! Lorsquʼun faisceau interagit avec un matériau il va se diviser en trois parties : une partie est réfléchie, une autre transmise et la troisième qui est absorbée. Bien entendu, seuls les photons absorbés vont pouvoir créer un des effets énumérés ci-dessous.
!
I.5.3.2.1 Effet photochimique
! Cet effet est apporté par des lasers dont les photons possèdent une énergie suffisante pour briser des liaisons atomiques. Ceci est typiquement le cas des lasers excimère dont lʼénergie des photons est comprise entre 3,5 eV et 6,4 eV. Cela permet de réaliser des traitements tels que des perçages avec une résolution de lʼordre du micromètre (faible longueur dʼonde) sans avoir de zones affectées thermiquement (ZAT) qui sont indésirables [Geor05].
Cette interaction peut se résumer en trois étapes [Dami94]:
! ➢ Absorption du faisceau
! ➢ Ruptures des liaisons de valence
!
I.5.3.2.2 Effet thermique
!
! Dans ce cas lʼénergie apportée par les photons nʼest pas suffisante pour briser des liaisons atomiques telles que les liaisons ioniques. Par-contre, si la fluence est assez importante, on peut atteindre les températures de fusion et de vaporisation du matériau. Cʼest dʼailleurs le principe du perçage et de la découpe qui consiste en premier lieu à fondre la matière puis à lʼéjecter par vaporisation (figure I.33).
Cette interaction se résume donc en trois étapes [Dami94]:
! ➢ Absorption du rayonnement laser et chauffage par conduction thermique
! ➢ Fusion de la cible
! ➢ Vaporisation de la matière avec éventuellement apparition dʼun plasma que nous
! ! détaillerons ultérieurement.
! Cependant, un effet thermique induit deux problèmes majeurs. Le premier inconvénient est que la zone située autour du traitement laser sera affectée thermiquement, ce qui entraine lʼapparition dʼune zone vitreuse dans le cas des alumines à 96% riches en silice. Le deuxième inconvénient réside dans le fait que le refroidissement brutal du matériau va engendrer de fortes contraintes mécaniques qui vont se solder par lʼapparition de fissures. Pour éviter ce fort gradient de température et par conséquent lʼapparition de réseaux de fissures, il existe plusieurs techniques :
! ➢ Combinaison de deux sources lasers : une source laser CO2 pour le traitement et
! ! une diode laser pour contrôler le gradient de température [Tria02].
! ➢ Traitement laser effectué dans une chambre où la température est contrôlée
! ! [Lee92]
! ➢ Optimisation de la vitesse laser et de la densité de puissance afin de limiter les
! ! contraintes thermiques et donc mécaniques [Tria06].
! ➢ Utilisation dʼun laser femto ou nano-seconde qui, par son temps d'interaction
! ! court, minimise les effets thermiques. Valette et al. [Vale05] ont montré
! ! quʼun perçage dʼune plaque dʼaluminium obtenu avec un laser nano-seconde
! ! provoque une zone affectée thermiquement de 30-40µm de large contre
! ! seulement 2µm pour un laser femto-seconde.
!
I.5.3.2.3. Effet photomécanique
! Si la densité du faisceau laser dépasse une valeur seuil, la cible est vaporisée. Les débris peuvent alors être ionisés et former un plasma, nommé également «plasma plume» qui peut sʼélever jusqu'à une température de 50 000°C [Töns98] (figure I.34). Ce plasma va
également générer une pression sur la cible pouvant atteindre 500 MPa [Töns98].
FIGURE I.34 : Formation dʼun plasma par vaporisation [Stau94]
!
I.5.3.3. Effet des paramètres du laser sur les traitements
! Dans cette partie, nous allons donner une liste non exhaustive des effets des nombreux paramètres de réglage des lasers sur les traitements. Notons quʼà cause dʼun trop grand nombre de paramètres, il nʼest pas concevable dʼextrapoler ces résultats à tous les traitements.
!
I.5.3.3.1. La vitesse de déplacement
! La vitesse de déplacement modifie fortement la densité de fissures. En effet, plus la vitesse de déplacement du faisceau laser est grande, plus la contrainte thermique au refroidissement sera grande et ce même avec un système de préchauffage (figure I.35).
FIGURE 1.35 : Effet de la vitesse de déplacement sur la densité de fissures [Lee92] (Céramiques 1 et 2 sont
des alumines de 99,7% de pureté et respectivement de référence commerciale Al25, Al24 du fournisseur Degussit)
!
I.5.3.3.2. La fluence
! La fluence représente la densité dʼénergie du faisceau laser par unité de surface, elle est donc exprimée en J/cm2. Suivant le type de laser choisi (CO2, YAG, excimère...), elle aura des ordres de grandeurs très différents. Par exemple pour les lasers CO2 et Nd- YAG on parlera de plusieurs centaines de J/cm2, alors que pour les lasers excimère on parlera plutôt de centaines de mJ/cm2. Cette différence sʼexplique par le fait que chaque type de laser possède une gamme de densité de puissance et un temps d'interaction qui lui sont propres. Comme le montre la figure I.36 le réglage de la densité de puissance permet dʼobtenir les effets souhaités (soudage, découpe, traitement de surface, ...)
FIGURE I.36 : Types d'interaction laser-matière en fonction de la densité de puissance [Peyr06]
! La fluence va agir sur plusieurs paramètres tels que lʼépaisseur de la zone fondue, la porosité de la surface traitée et sa rugosité. Les figures I.37 a, b et c nous indiquent lʼévolution de ces paramètres en fonction de la fluence pour un traitement laser Nd-YAG appliqué sur des alumines de pureté de 99,6% et de porosité surfacique de 40% :
FIGURE I.37 :Effet de la fluence sur différents paramètres : [Hari08]
a) Epaisseur de la zone fondue, b) Rugosité, c) Porosité ouverte
!
I.5.3.3.3. Le nombre de répétitions du tir laser
! La nombre des tirs laser peut avoir des effets différents suivant la fluence choisie. Lʼexemple de la figure I.38 concerne un traitement laser excimère KrF (248nm) sur alumine-13% titane. Les auteurs ont montré que suite aux traitements de «forte» fluence (800 mJ/cm2), plus le nombre de tirs est élevé et plus les grains commencent à se séparer
Fluence laser (J/cm2) Fluence laser (J/cm2) Fluence laser (J/cm2)
Epaisseur de la
zone fondue (µm)
Porosité de surface (%) Rugosité de surface Ra (%)
(figures I.38.a et b). Ce phénomène est également accompagné par une légère augmentation de la porosité. Pour ce qui est des traitements de faible fluence (400 mJ/ cm2) ils ont constaté que le diamètre des fissures augmentait (figures I.38.c et d).
FIGURE I.38 :Effet du nombre dʼimpact laser KrF sur la morphologie de lʼalumine-titane [Ibra09]
!
I.5.3.3.4. La fréquence de répétition du tir laser
!
! Les effets peuvent être là encore très variés. Selon lʼétude dʼIbrahim et al. [Ibra09],
lʼaugmentation de la fréquence modifie radicalement la structure jusquʼà aboutir à une structure granulaire (figure I.39). Lʼétude de Bai et al. [Bai06] qui porte sur de lʼalumine à
96% et dʼépaisseur 635µm (figure I.40.a et b) traitées par un laser Nd-YAG, montre un effet beaucoup plus modéré.
!
I.5.3.3.5. Le gaz dʼassistance
! Lʼétude de Bai et al. [Bai06] a montré que des alumines à 96 % de pureté et
dʼépaisseur 635 µm, traités par laser Nd-YAG, la nature du gaz dʼassistance (azote ou oxygène) nʼa pas dʼincidence majeure sur le sillon crée par le laser. La seule différence se situe au niveau de lʼirrégularité des parties fondues suite aux traitements sous oxygène et ce seulement pour des fréquences de 50 et 60 Hz. Bai et al. ont également montré que la fréquence est le paramètre principal qui influence la morphologie du sillon.
FIGURE I.40 : Effet de la fréquence et du gaz dʼassistance du laser Nd-YAG sur la forme du sillon dʼune Alumine (vitesse dʼavance 4mm/sec) [Bai06]
a)Effet du laser Nd-YAG avec de lʼazote comme gaz dʼassistance (3 bars)
b) Effet du laser Nd-YAG avec de lʼoxygène comme gaz dʼassistance (3 bars)
"
I.5.3.4. Influence des traitements laser sur la structure et les propriétés
électriques des céramiques
!
! Lʼobjectif de ce paragraphe est de faire un état de lʼart des effets des traitements laser (laser CO2, Laser YAG et laser excimère (KrF)) sur les propriétés des céramiques et plus précisément celles des alumines.
a)
!
I.5.3.4.1. Laser CO2
! Les lasers CO2 sont utilisés à une très forte majorité pour effectuer des opérations de découpe, de perçage, de gravure et de marquage sur les céramiques et composites
[Capp00]. La longueur dʼonde du laser CO2 est « moyennement » absorbée par lʼalumine
comparativement au laser excimère. Le coefficient dʼabsorption de lʼAl2O3 pour une longueur dʼonde de 10,6µm est de 104 cm-1 [Abei92]. Ceci implique que les traitements
lasers CO2 sʼeffectueront sur une profondeur assez importante.
! Les traitements lasers CO2 génèrent des modifications de couleur du matériau traité
[Wang04]. Les analyses XRD (X-ray Diffraction) ont permis dʼattribuer cela à une
modification de la phase principale du matériau. Ceci semble être conforté par lʼétude de Triantafyllidis et al. [Tria05], qui montre que ces types de traitements lasers modifient lʼétat
de surface, mais nʼapportent pas de changement significatif dans la composition ou dans la quantité dʼoxygène comparé à lʼalumine vierge. Par contre ils ont montré quʼils peuvent impacter lʼétat de surface en les rendant plus lisse, moins rugueux et en diminuant lʼangle de contact de la mouillabilité.
! Des études sont menées afin dʼutiliser le laser CO2 pour réaliser des pistes conductrices sur des substrats alumine [Bald04] et sans ajout de matière. Cela permettrait
de réduire le nombre dʼétapes technologiques et par conséquent le coût. Cette idée vient des traitements laser ultraviolet que lʼon fait subir aux substrats en nitrure dʼaluminium (AlN) pour créer des pistes conductrices. Ces traitements décomposent lʼAlN par la réaction suivante [Nico99] :
AlN (solide) -> Al (solide) + 1/2 N2 (gaz)
! Après le passage du faisceau laser, lʼaluminium se solidifie à nouveau et permet dʼobtenir ainsi une piste conductrice. Lʼexemple de la figure I.41 illustre le résultat obtenu en terme de résistance. Lʼefficacité du laser CO2 comparée au laser excimère y est montrée.
FIGURE I.41 :Résistance des lignes dʼaluminium (500µm de largeur) obtenue après traitements lasers sur AlN en fonction du nombre dʼimpulsions. Le trait en pointillé représente la résistance des lignes conductrices
normalement utilisées dans les circuits électroniques [Yabe97]
! Les études de Stolz et al. [Stol97], [Stol99], ont montrés quʼil était possible dʼobtenir
des résultats similaires avec un substrat Al2O3 immergé dans une solution dʼéthanol (C2H5OH) et exposé à un faisceau laser CO2. Ils ont réalisé des portions de pistes 2.
Résistance (
Ω
/mm)
conductrices avec une résistivité de 0,5 Ω.cm, ce qui reste élevé mais pas lorsquʼon la compare à la résistivité de lʼalumine qui est supérieure à 1014 Ω.cm. La figure I.42 permet dʼapprécier lʼeffet de la vitesse de passage du faisceau laser sur la valeur de la résistance de la piste. Cela montre lʼimportance du traitement laser. Cependant, les auteurs attribuaient la diminution de la résistance à la présence de lʼéthanol qui diminue lʼabsorption du faisceau laser par le substrat (ils ont remarqué que le même traitement sans éthanol conduisait à une ablation du substrat). Lʼéthanol peut également jouer le rôle de réactif qui rend possible la modification du substrat en un matériau conducteur.
FIGURE I.42 :Valeur de la résistance de la piste métallique obtenue après traitement laser en fonction de la vitesse de passage du faisceau laser [Stol97]
! Les traitements lasers CO2 peuvent également modifier la valeur du champ électrique nécessaire au cheminement. Yu et al. [Yu08] ont étudiés ce phénomène sur des
alumines 96% de pureté, traités par laser CO2 et ce pour des différentes densités dʼimpact laser de densités dʼénergie. Ils ont constaté que le champ de contournement augmente avec la densité dʼimpact laser au cm2. Par contre pour une densité dʼimpacts laser donnée, suivant la fluence choisie, on peut avoir un contournement pour un champ électrique plus faible que celui de lʼalumine vierge.
!
I.5.3.4.2. Laser Nd-YAG
! Tout comme les lasers CO2, les lasers Nd-YAG sont utilisés pour les opérations de découpe, perçage, fraisage, marquage, ... Le laser Nd-YAG est « faiblement » absorbé comparé au laser CO2 et excimère. Le coefficient dʼabsorption de lʼAl2O3 pour une longueur dʼonde de 1,065µm est de seulement 30 cm-1 [Abei92].
! Tel que nous avons pu le voir sur les figures I.37 a, b et c, la fluence élevée du laser Nd-YAG induit un effet important sur la rugosité, la porosité et lʼépaisseur de la zone portée à la température de fusion. De plus cet effet de la fluence sur la porosité à été confirmée par lʼétude de Harimkar et al. [Hari07] (figure I.43). Cependant, Samant et al.
[Sama08], en utilisant la méthode dʼanalyse de Taguchi, ont montré que le facteur le plus
influant sur la porosité nʼétait pas la fluence mais la fréquence de répétition du tir laser ainsi que la vitesse dʼavance du faisceau qui jouent un rôle primordial sur lʼaugmentation de la taille des grains (figure I.44).
Résistance (k
Ω
/cm)
FIGURE I.43 :Effet de la fluence laser sur la porosité de surface de lʼalumine [Hari07]
FIGURE I.44 : Effet des paramètres laser sur la microstructure de lʼalumine [Sama08]
((Les préfixes W, R, S correspondent respectivement à : la fréquence du tir laser, le taux de répétition du tir et la vitesse de balayage du faisceau laser; Les suffixes P et S correspondent respectivement aux
paramètres donnant le moins de porosité et une taille de grain maximale)
! Harimkar et al. [Hari08_bis] ont mis en évidence que la densification et la rugosité de
surface augmentent avec de forts niveaux de fluence laser, ce qui apporte une meilleure résistance à la propagation des fissures. Ils ont clairement montré quʼà faible fluence les fissures sont intergranulaires et transgranulaires, contrairement aux alumines traitées avec une forte fluence laser où les fissures sont majoritairement intergranulaires.
! De part leurs effets thermiques (effet que nous avons décrit dans le paragraphe 5.3.2.2. du chapitre I), le perçage dʼalumine avec des lasers Nd-YAG entraîne une expulsion de matière en fusion qui va se redéposer et se condenser sur la périphérie interne ainsi quʼautour de la cavité et qui peut même partiellement la refermer. Là encore, les paramètres laser tels que la fluence et le temps dʼinteraction laser-matière vont fortement influencer le résultat avec des formes et des tailles de ZAT différentes (figure I. 45). De part leur faible longueur dʼonde par rapport au laser CO2, les laser Nd-YAG sont réservés aux opérations exigeant des précisions de traitements élevées.
Porosité de surface (%)
Fluence laser (J/cm2)
T
aille des grains (µm)
porosité (% du volume)
Vitesse dʼavance du faisceau (cm/min) Fréquence de répétition (Hz)
FIGURE I.45 : Images des entrées (en haut) et des sorties (en bas) des perçages en fonction : a) du temps dʼinteraction,b) de la puissance du tir laser pour un tir de 2ms [Kaca09]
!
I.5.3.4.3. Laser excimère (KrF)
! Les lasers excimère peuvent être utilisés pour différentes applications telles que lʼamélioration de l'adhésion, la modification de la mouillabilité de surface, lʼaugmentation de la capacité de lʼactivité catalytique de la surface... [Thom92]. Les photons des lasers UV,
qui rappelons-le correspondent aux photons de fortes énergies, sont fortement absorbés par lʼalumine [Scit00]. Ceci est confirmé par le fort coefficient dʼabsorption à savoir 108 cm-1
[Oliv07].
! Plusieurs études ont montré que les alumines traitées par laser excimère jouent un rôle favorable pour les étapes de dépôts de cuivre chimique (electroless). Cette méthode consiste à immerger le substrat dans une solution auto-catalytique qui contient en solution les ions du métal à déposer. Ce procédé est réalisé sans circulation de courant externe. Cependant, si cette méthode ne peut sʼappliquer directement sur des alumines vierges mais seulement sur des alumines ayant subis un traitement laser excimère, lʼexplication physique de ce phénomène ne fait pas encore lʼunanimité :
! ➢ Fölser [Föls94] pense que cela est dû à une augmentation de la concentration
! ! dʼaluminium suite au traitement laser
! ➢ Le brevet [Brev94], suggère que suite au traitement on retrouve en surface
! ! (jusqu'à 20nm de profondeur) une phase γ, qui constituerait un réseau ouvert
! ! dans lequel chaque lacune cationique serait un site attractif pour un ion
! ! métallique
! ➢ Zhang et al. [Zhan97] ont également montré que le cuivre se déposait seulement
! ! sur la zone traitée par le laser excimère. Cependant, pour lui la cause de ce
! ! phénomène reste encore inexpliquée (formation de particules dʼaluminium,
! ! de lacune dʼoxygène ou dislocations).
! Dʼautres études se sont porté sur les effets des traitements laser appliqués à de lʼalumine mais sans se focaliser sur le dépôt électroless. On peut trouver notamment les études de :
a)
! ➢ Cappelli et al. [Capp00] qui suite à des traitements lasers excimère (ArF) sur
! ! lʼalumine nʼont pas constaté de variation significative dans la composition
! ! chimique de lʼalumine.
! ➢ Lʼétude de Sciti et al. [Scit00] qui portait quant à elle sur des alumines traitées par
! ! laser excimère KrF. Les analyses des zones fondues ont démontré que les
! ! impuretés (Ti, Si, Ca, Mg et Na) migraient vers la surface, et ce, dès un
! ! nombre limité dʼimpulsions laser (<10); lʼaugmentation du nombre
! ! dʼimpulsions provoquant même la disparition totale en surface de certaines
! ! de ces impuretés. Il est à noter quʼaprès traitement, lʼalumine devenait «
! ! marron », ce changement de couleur correspondant au seuil dʼablation.